способ переработки растительного сырья для получения пентозных гидролизатов, содержащих, преимущественно, ксилозу

Формула изобретения

Способ переработки растительного сырья для получения пентозных гидролизатов, содержащих преимущественно ксилозу, включающий сернокислотный гидролиз пентозансодержащего растительного сырья при повышенной температуре, отличающийся тем, что в качестве растительного сырья используют пивную дробину натуральной влажности, которую на первой стадии процесса подвергают дезинтеграции в дисковой мельнице в течение 1 - 5 с с частотой колебаний вибратора 10 - 50 Гц с последующим отделением твердой фазы от жидкой суспензии, на второй стадии процесса осуществляют высокотемпературную промывку твердой фазы, в процессе которой последнюю смешивают с водой при соотношении фаз (твердая : жидкая) 1 : 3 - 5, выдерживают при периодическом перемешивании в течение 10 - 30 мин при температуре 140 - 160^oС с последующим отделением твердой фазы, которую затем подвергают гидролизу 0,5 - 2,5%-ной серной кислотой при температуре 100 - 120^oС в течение 2 - 4 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к переработке растительных материалов, в частности пентозансодержащего сырья, методом гидролиза для получения растворов сахаров и их последующего использования, например для получения ксилита.

Растительное пентозансодержащее сырье является единственным источником производства ксилозы и ксилита - ценных продуктов, нашедших применение в качестве сахарозаменителей для питания больных сахарным диабетом. Увеличение выхода ксилита и пентозансодержащего сырья зависит от содержания ксилозы в пентозном гидролизате, а также от его доброкачественности.

Известен способ получения растворов сахаров путем обработки пентозансодержащего растительного сырья раствором серной кислоты, экстракции растворимых примесей водой, пентозный гидролиз серной кислотой при 100-135^oС при гидромодуле 1,0-1,3 и выделения пентозных сахаров (SU, авторское свидетельство N 859449, 1980).

Наиболее близким является способ переработки хлопковой шелухи для получения пентозных гидролизатов с последующим их использованием для получения ксилита (Климова Э.К. Метод повышения эффективности процесса пентозного гидролиза. - Ж.Гидролизная и лесохимическая промышленность, N 7, 1980, с.4-7).

Хлопковая шелуха имеет следующий химический состав, %: легкогидролизуемые полисахариды (ЛГП) 25,0; трудногидролизуемые полисахариды (ТГП) 34,0; лигнин 30,0; зольные вещества 2,5; пентозаны 20,4; гексозаны 34,4; неуглеводные составляющие 8,5.

Процесс гидролиза пентозанов и выведения сахаров из гидролизованного сырья хлопковой шелухи осуществлялся по следующей методике. Хлопковую шелуху смачивали 10%-ным раствором серной кислоты (гидромодуль 0,2-0,3) при 20-25^oС, после чего экстрагировали примеси водой при 80-100^oС в течение 60 мин. Пентозный гидролиз проводили 1,5%-ной серной кислотой при 120^oС. Пентозный гидролизат характеризовался следующими показателями: концентрация РВ 6,5%; доброкачественность гидролизата 64,5%; выход пентозных РВ к массе абс. сухого сырья 20%.

Указанная доброкачественность полученных пентозных гидролизатов (отношение общих сахаров к содержанию сухих веществ в гидролизате) достигается за счет проведения кислотной предобработки пентозансодержащего сырья, которая в то же время приводит к потере пентозных сахаров.

Задачей изобретения является повышение доброкачественности пентозных гидролизатов, полученных из пентозансодержащего сырья.

Задача решается следующим образом.

В качестве пентозансодержащего сырья использовали пивную дробину, являющуюся отходом пивоваренного производства.

На первой стадии процесса пивную дробину натуральной влажности подвергают дезинтеграции в дисковой мельнице в течение от 1-5 с с частотой колебаний вибратора 10-50 Гц, а затем отделяют твердую фазу от жидкой суспензии с помощью, например, шнекового пресса.

Жидкая суспензия представляет собой пасту, обогащенную белком, а твердая фаза с влажностью 40-50% имеет вид волокнистой массы и обогащена клетчаткой.

На второй стадии процесса осуществляют высокотемпературную промывку, при которой твердую фазу смешивают с водой в соотношении 1:3-5, выдерживают при периодическом перемешивании в течение 10-30 мин при 140-160^oС с последующим отделением твердой фазы, которую затем подвергают гидролизу 0,5-2,5%-ной серной кислоты в течение 2-4 ч при 100-120^oС.

Пивная дробина является отходом пивоваренного производства и образуется в результате использования дробленого ячменного солода при варке пивного сусла. На 100 кг вырабатываемого сусла получают 115-130 кг влажной дробины. В зависимости от способа выделения из пивного сусла пивная дробина имеет кашеобразный внешний вид от жидкого до рассыпчатого с слабовыраженным хлебным запахом от светложелтого до коричневого цвета ТУ-10-5031536-135-90).

Пивная дробина имеет следующий химический состав: легкогидролизуемые полисахариды (ЛГП) 29,5; трудногидролизуемые полисахариды (ТГП) 11,0; лигнин 20,5; зола 5,6; пентозаны 26,5; гексозаны 14,0; неуглеводные составляющие 33,5.

Из литературы известно применение дробины в качестве добавок в муку при производстве хлебобулочных изделий, корма в молочном животноводстве, компоста после переработки микроорганизмами, а также источника энергии (биогаза). На первой стадии осуществляют дезинтеграцию исходного сырья на дисковой мельнице, причем вследствие кратковременности механического воздействия происходит частичное разрушение клеточной стенки, что повышает эффективность последующего извлечения из сырья неуглеводных компонентов: белка, жиров, воска, пектинов и других веществ.

Отжатая на шнековом прессе жидкая суспензия обогащена неуглеводными примесями (белки, жиры, пектины), поэтому ее направляют для последующего использования, например в пищевой промышленности для замеса теста, приготовления кормов для сельскохозяйственных животных и т.п.

Твердую фазу подвергают высокотемпературной промывке, в результате которой в жидкую фазу переходит дополнительное количество жира и белка, которые затем отделяются с промывной жидкостью. Промытая твердая фаза обогащена гемицеллюлозными полисахаридами, которые затем гидролизуют разбавленной кислотой для получения доброкачественного пентозного гидролизата.

Выбор режимов обработки пивной дробины в дисковой мельнице обусловлен необходимостью дезинтеграции клеточной стенки сырья при минимальной механической деструкции макромолекул гемицеллюлоз для того, чтобы максимально снизить потери пентозных сахаров при последующем высокотемпературном водном облагораживании пентозансодержащего сырья.

Выбор условий режима высокотемпературной водной обработки дезинтегрированного сырья позволяет частично перевести в раствор арабинозу, являющуюся примесным продуктом, что связано с избирательной деструкцией боковых молекул ксиланов в мягких условиях автокаталитического гидролиза.

Выбор режимов гидролиза разбавленной серной кислотой обусловлен необходимостью количественного перевода пентозных сахаров в раствор.

Изобретение поясняется примерами.

Пример 1. Пивную дробину (натуральная влажность 75-80%), имеющую следующий состав, %: легкогидролизуемые полисахариды (ЛГП) 29,5; трудногидролизуемые полисахариды (ТГП) 11,0; лигнин 20,5; гексозаны 14,0; пентозаны 26,5; зольные вещества 5,6; белки 20,0; жиры и воска 8 подвергают мокрому размолу в дисковой мельнице Fritsch Pulverizette в течение 3 с при частоте колебаний вибратора 25 Гц. После этого производят разделение массы на шнековом прессе с получением твердой фазы 40-50%-ной влажности и жидкой суспензии, характеристика которых приведена в табл.1. (Все показатели приведены к абсолютной сухой массе).

На второй стадии процесса осуществляют высокотемпературную промывку волокнистой массы при соотношении фаз (твердое : жидкое) 1 : 4. Выдержку осуществляют при периодическом перемешивании в течение 10 мин при 160^oС, после чего отделяют твердую фазу от суспензии и проводят гидролиз твердой фазы 2,0%-ной серной кислотой при 100^oС в течение 3 ч при гидромодуле 10.

Содержание сахаров в полученном гидролизате приведено в табл. 3.

Общее содержание сахаров в гидролизате составляет 4,8%, при этом от суммарной концентрации сахаров количество ксилозы составляет 71,0%, арабинозы 17,0%, галактозы 10,0% и глюкозы 2,0%. Доброкачественность гидролизата составляет 80,0%.

Пример 2. Пивную дробину по примеру 1 подвергают мокрому размолу в дисковой мельнице в течение 3 с при частоте колебаний вибратора 40 Гц. После этого производят разделение на шнековом прессе с получением твердой фазы и жидкой суспензии, характеристика которых приведена в табл.1. (Все показатели приведены к абсолютно сухой массе).

На следующей стадии осуществляют высокотемпературную промывку волокнистой массы при соотношении фаз (твердое : жидкое) - 1:4. Выдержку осуществляют при периодическом перемешивании в течение 30 мин при 140^oС. После чего отделяют твердую фазу от суспензии и проводят гидролиз 2,0% серной кислотой при температуре 100^oС в течение 3 ч при гидромодуле 10.

Содержание сахаров в гидролизате приведено в табл.3.

Общее содержание сахаров в гидролизате составляет 5,1%, при этом от суммарной концентрации сахаров количество ксилозы 70,0%, арабинозы 15,5%, галактозы 12,0% и глюкозы 2,1%. Доброкачественность гидролизата составляет 82,0%.

Таким образом, применение разработанного способа повышает доброкачественность гидролизатов, полученных из пивной дробины по разработанной технологии, что благоприятно влияет на процесс последующего их использования для получения кристаллической ксилозы и ксилита. Кроме того, обеспечивается полезная утилизация отхода пивного производства. Разработанный способ позволяет сохранить пентозаны от кислотного распада в процессе облагораживания растительного сырья, при этом доля ксилозы от суммы сахаров гидролизата повышается с 57 (исходное сырье - пивная дробина) до 70-72%, содержание арабинозы снижается с 29 до 15,5-17%.